案例分享|具有数字连续性的3D打印聚合物零件

CAE大拿

材料开发的过程通常包含多个步骤，其中一些步骤具有等效的模拟结果，因此具有较高的可预测性。在聚合物增材制造方面，像Digimat这样的软件产品可为打印材料提供数字孪生，并为3D打印机提供高保真度的成品形状和性能的预测。 如今，Hexagon结合了生产软件、设计和工程仿真软件以及计量扫描仪，为端到端3D打印提供了一套独特的技术，并结合了面向市场上其他软件工具和3D打印机的开放式生态系统。 它使得用户能够可靠、准确、快速地进行计划、优化、验证和复制高质量的增材制造零件。

这种增材制造解决方案可以用上面的“滚轮”图形来表示，它是零件几何形状操作、拓扑优化、增材制造机器和材料选择、仿真工艺优化、首次正确零件生产、质量计量以及逆向工程的计量的组合。 所有这些步骤均由健壮高效的数据管理系统（MaterialCenter）支持。 我们称之为集成计算材料工程的“数字连续性”方法，将虚拟和现实的功能结合在一起，使用直接在线检查零件来为设计验证提供数字链。 同样， 可以验证编程配置与实际制造配置的差异。因此，数字连续性支持下一代制造工艺的发展，即“工业4.0”。

让我们谈谈几个数字连续性的例子，首先看一下3D打印机材料的选择和工艺优化仿真。 如果我们看一个典型的3D打印聚合物支架（图1），我们可能想问一个问题，“已知材料固定，并用碳纤维进行聚酰胺增强，我们应该选择哪种打印方向来实现最优的工艺和零件性能？我们可能要在两种方向中进行选择：一种是将支架竖直放置，另一种是将支架水平放置。

图 1: 竖直和水平打印方向的3D聚合物支架的多变量分析

要定义支架的尺寸公差，我们首先需要针对选择的两种不同的打印条件对零件进行工艺仿真。 通过仿真后得出的结论是，默认情况下零件会发生过度翘曲，因此需要进行翘曲补偿。 借助翘曲补偿仿真，我们能够验证两种打印方式，来符合尺寸公差要求。

我们在Digimat AM中使用结构分析来评估两个打印零件的刚度和强度性能。 这是通过运行耦合有限元分析（图2）来完成的，考虑了材料的局部制造历史和局部微观结构，包括由我们采用的沉积策略决定的纤维取向分布。

图 2: 虚拟性能比较

Digimat AM对支架的仿真预测非常有力地表明了哪种支架是最佳打印方向。实际上，当我们虚拟测试3D打印的零件时，可以选择定向方法。 在此示例中，我们获得的硬度在竖直打印方向上比在水平打印方向上小两倍，而竖直方向的强度大约是在水平打印时的四分之一。 因此，通过这个数字仿真工艺，我们能够确定，综合考察工艺质量、零件性能以及打印时间，水平方向是最佳的。

另一个3D打印机的数字连续性例子是图3所示的3D打印聚合物自行车手柄。

图 3: 3D打印的聚合物自行车手柄

它是通过自动铺纤制造工艺创建的。 在此工艺中，在复合材料铺层的末端，将一束单向复合材料压入模具中形成复合材料。 然而，为了在表面上容纳复合层，有必要在多个位置切断带材，从而导致拖丝之间出现间隙，因此需要修改纤维的方向。 为了设计目的，重要的是使用所制造的光纤方向并考虑到诸如间隙之类的缺陷的存在。 为此，我们可以使用两种方法。第一种是查找来自工艺制造仿真软件的信息，并在将使用Digimat的材料工程及其结构分析相结合的数字链中使用这些信息。第二种方法是直接使用在线检查的材料信息，这些信息来自于扫描检查系统，例如Apodius Absolute Arm扫描仪（图4）。

图 4: 3D打印自行车手柄的数字连续链

数字连续性是Hexagon所说的“ 10x ICME解决方案”的一部分，包括用于材料开发、材料表征、制造仿真和最终零件性能的一整套仿真方案。 最终，获得了材料制造过程的数字孪生，提高了可预测性，从而使公司首次制造就可以看到10倍的生产率提高、产品上市效率和成本节省。

关注MSC官方公众号

查看更多技术案例、会议信息、培训公告